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凸液面和凹液面

2013-07-23 10:51阅读:
为什么水有凸液面和凹液面?比如说在量筒中是凹液面,在盛满水的杯子中是凸液面。产生这种现象有几个因素。第一个因素是液体的张力问题。假如我们在太空中的话,可以看到,液体在失重的条件下,会自动缩成球状(不仅液体,物质基本都是这样的,这也是天体为什么都是球状的原因),因为张力的缘故,液体的表面就不是平面,而是略带弧度的。
那么为什么会有的凹入,有的凸起呢。这就和液体的“亲水性”有关。什么是亲水性呢。以水为例,简单的说,水容易附在容器的表面,就是有亲水性,反之,如果不容易附在容器表面,就是没有亲水性。水与玻璃,就是有亲水性,而玻璃与汞则没有亲水性。所以,因为有了液体的张力,就有了弧度,而是否具有亲水性,则造成了液体的向下凹还是向上凸。
在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为零,但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力,所以该分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液体内部,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势。
但是还要注意一个问题,水在量筒中是凹液面(未装满),但是有些液体装在量筒(未装满)中却是凸液面的, 在量筒内的凹液面是由于水分子对水分子的吸引力小于玻璃分子对水分子的吸引力,盛满水的杯子中的凸液面是由水的表面张力引起的。这是个润湿角的问题.比较深奥了.
一切物质分子间都存在吸引力:同一种类物质分子间的吸引力称之为内聚力;不同物质分子间的吸引力称之为附着力。在流体力学中,水分子是在不断作布朗运动的,水分子间互相存在吸引力,分子间的距离越小,吸引力就越大,这就是水的内聚力。水分子的这种内聚力在水表界面上的作用就使得水表界面(其厚度只有水分子直径的数量级)自动收缩的现象称为水表张力。但是,浮漂(固体)周围表面和水(流体)接触之间存在着的吸引力,则是两种不同物质的吸引力——即附着力。附着力和水表张力是各自独立存在的力,有其客观存在的本质区别。
在洁净的玻璃板上放一滴水银,它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上.把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来,玻璃上也不附着水银.这种液体不附着
在固体表面上的现象叫做不浸润.对玻璃来说,水银是不浸润液体.
在洁净的玻璃上放一滴水,它会附着在玻璃板上形成薄层.把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来,玻璃的表面会沾上一层水.这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润.对玻璃来说,水是浸润液体.
同一种液体,对一种固体来说是浸润的,对另一种固体来说可能是不浸润的.水能浸润玻璃,但不能浸润石蜡.水银不能浸润玻璃,但能浸润锌.
水银对于玻璃是非浸润的,所以在水银的表面张力的作用下,是凸液面的,所以,在玻管中读其高度时,是视线和凸液面的最高处相平行。水银在某些金属容器中是浸润的,是因为水银能和它们形成“汞齐”齐字念ji(四声)。水银对金属的浸润性是水银的一种独特的性质,在先秦时人们就有深刻的认识,秦始皇在泰山封禅时,就有水银溶解黄金。金、银、铜、铝等金属都能溶于水银中,但铁就不溶于水银,而可漂在水银的液面上,所以,水银对铁是非浸润的。
把浸润液体装在容器里,例如把水装在玻璃烧杯里,由于水浸润玻璃,器壁附近的液面向上弯曲,把不浸润液体装在容器里,例如把水银装在玻璃管里,由于水银不浸润玻璃,器壁附近的液面向下弯曲。在内径较小的容器里,这种现象更显著,液面形成凹形或凸形的弯月面.
总之,由于玻璃对水分子和水分子对水分子力的大小不同,再结合自身重力,使得玻璃管中的水只有这样才能达到平衡。若容器比较大,里边的水就没有凹陷了,此时玻璃的力鞭长莫及。
下面再谈谈毛细现象。所谓毛细现象,就是把一根足够细的两端通透的管子插入液体,
其管内的液面会不同于管外的液面(有高出的,也有低下的)。这就和是否具有亲水性有关。有亲水性的液体,管内的液面高于管外的液面。没有亲水性的液体,管内的液面低于管外的液面。
可以做一个试验确认一下,用一根细的毛细玻璃管,插入水中,毛细管的叶面高于管外。而把同样的一根毛细管插入汞里面,则液面低于管外。管子的内径越小,里面的水银面越低.
浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管.
液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?我们已经知道,液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此凹液面对下面的液体施以拉力,凸液面对下面的液体施以压力.浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升,达到平衡.同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象.
在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子.植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来.砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象.在这些物体中有许多细小的孔道,起着毛细管的作用.
有些情况下毛细现象是有害的.例如,建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引上来,使得室内潮湿.建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿.
水沿毛细管上升的现象,对农业生产的影响很大.土壤里有很多毛细管,地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来.如果要保存地下的水分,就应当锄松地面的土壤,破坏土壤表层的毛细管,以减少水分的蒸发.
弯曲液面内外压力的计算:

凸液面和凹液面
附加压力(△p):弯曲液面内外的压力差。即△p=P-P= P1-Pg
注:△p的方向指向凹面曲率半径的中心。
讨论:(1)平液面P1= Pg △p=0
(2)凸液面P1> Pg △p>0
(3)凹液面P1< Pg △p<0
也就是说,△p=0时,为平液面;△p>0为凸液面;△p<0为凹液面。

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